система заправки переохлажденным кислородом бака окислителя разгонного блока

Формула изобретения

Система заправки переохлажденным кислородом бака окислителя разгонного блока, содержащая криогенную заправочную емкость с жидким кислородом, насос жидкого кислорода и теплообменник-охладитель, подключенные заправочной магистралью жидкого кислорода к бортовому трубопроводу заправки бака окислителя, причем теплообменник-охладитель выполнен в виде криогенной емкости с жидким криогенным хладагентом, газовая часть которой сообщена с всасывающим патрубком вакуумного насоса, отличающаяся тем, что теплообменник-охладитель снабжен герметичным внутренним сосудом, установленным с зазором в криогенной емкости с жидким криогенным хладагентом, образуя герметичную полость с жидким криогенным хладагентом, при этом нижняя часть указанного герметичного сосуда через запорные клапаны сообщена с указанными криогенной заправочной емкостью и бортовым трубопроводом заправки, а верхняя часть указанного герметичного сосуда имеет дренажный патрубок и подключена к источнику подачи газа наддува.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и может быть использовано при заправке жидким переохлажденным кислородом топливных баков ракетных двигательных установок, преимущественно баков окислителя космических разгонных блоков (РБ), используемых в качестве последней ступени ракетно-космических систем.

Известна система заправки переохлажденным кислородом бака окислителя космического разгонного блока, содержащая заправочную емкость с жидким кислородом, насос жидкого кислорода и азотный теплообменник-охладитель, подключенные заправочной магистралью к бортовому трубопроводу заправки бака окислителя РБ, а также магистраль отвода жидкого кислорода из бака окислителя в заправочную емкость при термостатировании (см. Ракетно-космический комплекс, "Космодром", под ред. проф. А.П.Вольского, изд. МО СССР, 1977, с.158, рис.5.2). В известной системе заправки теплообменник-охладитель выполнен в виде криогенной емкости с жидким азотом, внутри которой размещен змеевик, включенный в магистраль заправки жидким кислородом бака окислителя РБ.

Недостатком известной системы заправки является низкая степень переохлаждения жидкого кислорода, величина которой ограничена значением температуры кипения жидкого азота при атмосферном давлении. Это существенно ухудшает эксплуатационные характеристики РБ. При этом термостатирование жидкого кислорода в баке окислителя РБ существенно усложняет систему заправки бака и связанно с повышенными энергозатратами при заправке.

Наиболее близкой к предложенной является система заправки переохлажденным кислородом бака окислителя космического разгонного блока, содержащая заправочную емкость с жидким кислородом, насос жидкого кислорода и теплообменник-охладитель, подключенные заправочной магистралью к бортовому трубопроводу заправки бака окислителя РБ, при этом теплообменник-охладитель выполнен в виде криогенной емкости с жидким криогенным хладагентом - жидким азотом, внутри которой размещен змеевик с жидким кислородом, подаваемым на заправку бака окислителя, а газовая часть криогенной емкости сообщена со всасывающим патрубком газового эжектора (патент РФ №2155147, кл. B 64 G 5/00, F 17 C 6/00, 1999 г.). В данной системе заправки наличие в составе теплообменника-охладителя газового эжектора, подключенного к емкости с жидким азотом и выполняющего роль вакуумного насоса, дает возможность, за счет создания в емкости требуемой величины разрежения, снизить температуру жидкого азота и увеличить степень переохлаждения жидкого кислорода. При этом температура жидкого кислорода зависит от его расхода через теплообменник-охладитель и от величины разрежения над жидким азотом.

Недостатки данной системы связаны с тем, что переохлаждение жидкого кислорода происходит в процессе заправки бака окислителя РБ. При этом характер теплообмена между жидкими кислородом и азотом ограничивает возможную степень переохлаждения кислорода ввиду необходимости поддержания значительной разности температур в теплообменнике-охладителе.

Представляет также сложность обеспечение заданной температуры переохлаждения кислорода и регулирование величины ее, например, при изменении расхода кислорода через змеевик теплообменника-охладителя, что может привести к значительной погрешности при определении количества (массы) заправленного в бак окислителя РБ кислорода.

Кроме того, данная система заправки требует использования насоса жидкого кислорода большой мощности, поскольку заправочная магистраль жидкого кислорода и змеевик теплообменника-охладителя в данной системе представляют собой при заправке большое гидравлическое сопротивление.

Все это усложняет процесс заправки бака окислителя РБ переохлажденным кислородом, снижает технологичность процесса заправки, а также ухудшает эксплуатационные характеристики РБ.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение технологичности процесса заправки переохлажденным кислородом бака окислителя разгонного блока, повышение степени переохлаждения жидкого кислорода, повышение точности заправки заданной массы кислорода в бак окислителя и, как следствие, улучшение эксплуатационных характеристик разгонного блока.

Решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что в системе заправки переохлажденным кислородом бака окислителя разгонного блока, содержащей криогенную заправочную емкость с жидким кислородом, насос жидкого кислорода и теплообменник-охладитель, подключенные заправочной магистралью жидкого кислорода к бортовому трубопроводу заправки бака окислителя, при этом теплообменник-охладитель выполнен в виде криогенной емкости с жидким криогенным хладагентом, газовая часть которой сообщена со всасывающим патрубком вакуумного насоса, в соответствии с изобретением, теплообменник-охладитель снабжен герметичным внутренним сосудом, установленным с зазором в криогенной емкости с жидким криогенным хладагентом с образованием герметичной полости с жидким криогенным хладагентом, при этом нижняя часть герметичного внутреннего сосуда через запорные клапаны сообщена с заправочной емкостью с жидким кислородом и с бортовым трубопроводом заправки бака окислителя, а верхняя часть герметичного внутреннего сосуда имеет дренажный патрубок и подключена к источнику подачи газа наддува.

Наличие в теплообменнике-охладителе герметичного внутреннего сосуда, нижняя часть которого через запорные клапаны сообщена с криогенной заправочной емкостью с жидким кислородом и с бортовым трубопроводом заправки бака окислителя, а верхняя часть - имеет дренажный патрубок и подключена к источнику подачи газа наддува, позволяет размещать в теплообменнике-охладителе полное количество заправляемого в бак жидкого кислорода, переохлаждать его в течение оптимального расчетного времени и затем выдавать переохлажденный кислород в бак окислителя. При этом размещение внутреннего сосуда с жидким кислородом внутри полости криогенной емкости с жидким криогенным хладагентом, например азотом, газовая часть которой сообщена со всасывающим патрубком вакуумного насоса, обеспечивает оптимальный режим теплообмена между жидким криогенным хладагентом и кислородом и позволяет с высокой точностью получить требуемую температуру переохлаждения кислорода и повысить точность заправки заданной массы переохлажденного кислорода в бак окислителя. Возможность переохлаждения жидкого кислорода перед заправкой им бака окислителя, а также большая поверхность теплообмена между кислородом и криогенным хладагентом позволяют существенно повысить степень переохлаждения кислорода. Увеличивается скорость заправки переохлажденным кислородом бака окислителя, отпадает необходимость регулирования температуры кислорода при изменении его расхода в процессе заправки, снижается потребная мощность насоса жидкого кислорода.

Конструкция предлагаемой системы заправки переохлажденным кислородом бака окислителя разгонного блока поясняется с помощью чертежа.

Система заправки включает в себя криогенную заправочную емкость 1 с жидким кислородом, заправочную магистраль жидкого кислорода 2 с насосом жидкого кислорода 3, подключенную через бортовое разъемное соединение 4 к бортовому трубопроводу заправки 5 бака окислителя 6 разгонного блока ракетно-космической системы, и теплообменник-охладитель 7. Теплообменник-охладитель 7 выполнен в виде криогенной емкости 8, в которой с зазором размещен герметичный внутренний сосуд 9, установленный с образованием между ним и внутренней стенкой криогенной емкости 8 герметичной полости 10, подключенной трубопроводом 11 к криогенной емкости с жидким криогенным хладагентом, например жидким азотом (не показана). В качестве жидкого криогенного хладагента может быть также использована бинарная смесь жидких азота и кислорода, позволяющая получить более низкую, чем жидкий азот, температуру переохлаждения кислорода в теплообменнике-охладителе 7. На внутренней поверхности внутреннего сосуда 9 теплообменника-охладителя 7 могут быть выполнены вертикальные теплопередающие ребра (не показаны). Верхняя часть герметичной полости 10 теплообменника-охладителя 7 через трубопровод с клапаном 12 сообщена со всасывающим патрубком вакуумного насоса 13, в качестве которого может быть использован, например, газовый эжектор, и имеет дренажный патрубок 14. Нижняя часть внутреннего сосуда 9 теплообменника-охладителя 7 патрубком 15 с запорным клапаном 16 подключена к заправочной магистрали жидкого кислорода 2, при этом через запорный клапан 17 она сообщена с заправочной емкостью 1, а через запорный клапан 18 - с бортовым трубопроводом заправки 5 бака окислителя 6 разгонного блока. Верхняя часть герметичного внутреннего сосуда 9 имеет дренажный патрубок 19 и трубопроводом 20 с клапаном 21 подключена к источнику подачи газа наддува 22, например баллону со сжатым гелием. Во внутреннем сосуде 9 теплообменника-охладителя 7 установлены датчик температуры жидкого кислорода 23 и датчик уровня жидкого кислорода 24, в герметичной полости 10 теплообменника-охладителя 7 установлены датчик температуры жидкого криогенного хладагента 25 и датчик уровня жидкого криогенного хладагента 26.

Система функционирует следующим образом.

За заданное расчетное время до начала заправки бака окислителя 6 включается подача в теплообменник-охладитель 7 жидкого криогенного хладагента, например жидкого азота, по трубопроводу 11 из емкости с жидким азотом и производится захолаживание теплообменника-охладителя 7 и заполнение жидким азотом герметичной полости 10 теплообменника при отводе образующихся паров азота через дренажный патрубок 14. При этом происходит охлаждение жидким азотом герметичного внутреннего сосуда 9, предварительно заполненного гелием. Заполнение жидким азотом герметичной полости 10 производится до требуемого расчетного уровня, контролируемого с помощью датчика уровня жидкого криогенного хладагента 26. Затем включается подача в теплообменник-охладитель 7 жидкого кислорода, поступающего в герметичный внутренний сосуд 9 теплообменника из заправочной емкости 1 по заправочной магистрали жидкого кислорода 2 через открытые запорные клапаны 16 и 17 и патрубок 15. Пары кислорода в смеси с гелием отводятся через дренажный патрубок 19. После заполнения внутреннего сосуда 9 теплообменника-охладителя 7 жидким кислородом до заданного уровня закрываются клапаны 16 и 17, выключается насос жидкого кислорода 3 и перекрывается дренажный патрубок 19. При этом заданный уровень заполнения герметичного внутреннего сосуда 9 соответствует количеству кислорода в этом сосуде, достаточному для проведения заправки бака окислителя 6 разгонного блока. При достижении требуемого уровня жидкого азота (криогенного хладагента) в герметичной полости 10 теплообменника-охладителя 7 перекрывается дренажный патрубок 14 и с помощью вакуумного насоса 13 в герметичной полости 10 создается разрежение, обеспечивающее переохлаждение в ней жидкого азота до заданной температуры. Эта температура жидкого азота устанавливается расчетно-экспериментальным путем в зависимости от требуемой температуры переохлаждения кислорода в теплообменнике-охладителе 7 с учетом характера теплообмена между азотом и кислородом и продолжительности процесса переохлаждения. При необходимости получения более низкой температуры переохлаждения кислорода в теплообменнике-охладителе 7 в качестве жидкого криогенного хладагента используется бинарная криогенная смесь жидких азота и кислорода с более низкой температурой замерзания, чем жидкий азот. При этом с увеличением доли кислорода в этой бинарной смеси температура ее замерзания уменьшается, что позволяет получить более низкие значения температуры кислорода, заправляемого в бак окислителя 6 разгонного блока. Контроль температуры жидкого кислорода и жидкого азота (криогенного хладагента) осуществляется с помощью датчиков температуры жидкого кислорода 23 и температуры жидкого криогенного хладагента 25. Поддержание требуемого уровня жидкости в герметичной полости 10 теплообменника-охладителя 7 обеспечивается путем периодической подачи в эту полость жидкого криогенного хладагента по трубопроводу 11. По достижении за заданное расчетное время требуемой температуры кислорода в теплообменнике-охладителе 7 производится подача сжатого гелия в герметичный внутренний сосуд 9 от источника подачи газа наддува - баллона 22, открываются запорный клапан 16 и запорный клапан 18 на заправочной магистрали жидкого кислорода 2 и производится заправка переохлажденным кислородом бака окислителя 6 разгонного блока. Перед заправкой бак окислителя 6 и бортовой трубопровод заправки 5 могут быть предварительно захоложены жидким кислородом, подаваемым в бортовой трубопровод заправки 5 из заправочной емкости 1 по заправочной магистрали жидкого кислорода 2 при открытых запорных клапанах 17 и 18, с последующим сливом кислорода в емкость 1.

Таким образом, предложенное техническое решение, за счет возможности предварительного переохлаждения всего потребного для заправки количества жидкого кислорода перед подачей его в бак окислителя 6, проводимого в оптимальном временном интервале, и возможности снижения разности температур между теплообменивающимися криогенными компонентами в теплообменнике-охладителе 7, позволяет повысить степень переохлаждения жидкого кислорода. При этом повышается точность получения требуемой температуры переохлаждения кислорода и точность заправки в бак окислителя 6 заданной массы кислорода, что позволяет улучшить эксплуатационные характеристики разгонного блока. Повышается технологичность процесса заправки, существенно уменьшается потребная мощность и габариты насоса жидкого кислорода 3, снижается его стоимость.